Полимеры, пластмассы и товары на их основе

Содержание

1. Общие сведения о полимерах и пластмассах
1. Понятие полимеров и пластмасс.
2. Классификации пластмасс.
3. Технические свойства пластмасс.
2. Характеристика ассортимента товаров на основе пластмасс.
1. Потребительские свойства товаров на основе пластмасс.
2. Классификация товаров на основе пластмасс.
3. Требования к качеству изделий из пластмасс.
1. Факторы, влияющие на качество готовых изделий из пластмасс, и возможные дефекты.
2. Нормативно-техническая документация, регламентирующая свойства изделий из пластмасс.
1. Общие сведения о полимерах и пластмассах.
1. Понятие полимеров и пластмасс.

Полимеры — группа материалов, основным компонентом которых являются высокомолекулярные соединения, обладающие большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов а. е. м.) и состоящие из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок — составных звеньев, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.

Полимер образуется из мономеров (структурных единиц полимеров, состоящих из нескольких атомов) в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. 

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). Исключительно широкое применение получили такие продукты на основе высокомолекулярных соединений, как пластические массы.

Пластические массы (пластмассы) — материалы на основе полимеров и их композиций с различными ингредиентами, способные при определенных условиях (температуре, давлении) формоваться в изделия и сохранять приданную им форму. В состав пластмасс кроме полимера (связующего вещества) входят следующие компоненты: наполнители (снижают себестоимость и могут изменять физические свойства); пластификаторы (повышают эластичность и снижают хрупкость); красители; стабилизаторы (замедляют старение пластмасс). Состав пластмасс представлен на схеме в приложении 1.1.

2. Классификации пластмасс.

Наиболее распространенной является классификация пластмасс по происхождению (природе полимера):

• Природные (натуральные). Характерные представители — природные белки, шелк, шерсть, натуральный каучук, целлюлоза.
• Искусственные, получаемые путем химической обработки натуральных пластмасс: нитраты и ацетаты целлюлозы, ксантогенат целлюлозы (вискоза) и др.
• Синтетические, полученные в результате химического синтеза низкомолекулярных органических соединений. К ним относятся полиэтилен, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиамиды (нейлон и др.), полистиролы, феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, полиэфиры (лавсан и др.), полиуретаны (жесткие и мягкие) и другие соединения.

Пластмассы также классифицируют по отношению к нагреванию:

• Термопластичные при нагревании размягчаются, их можно перерабатывать несколько раз (полиэтилен и др.). 
• Термореактивные пластмассы при первом нагревании под давлением принимают определенную форму и необратимо теряют способность плавиться и растворяться (фенопласты, аминопласты и др.).

Пластмассы классифицируются также по природе связующих веществ, по типу наполнителя, по наличию пластификаторов, по характеру макроструктуры (однородные, неоднородные), по типу химических реакций (на основе полимеризационных смол и на основе поликонденсационных смол). Более подробно различные подходы к классификации пластмасс представлены в приложении 1.2.

3. Технические свойства пластмасс.

 Механические и физические свойства пластмасс можно изменять в широких пределах смешиванием полимеров, добавлением пластификаторов и наполнителей, подбором условий формования и конструкции формуемых изделий.

Наполнители. Наилучшие результаты получены рациональным подбором наполнителей. Термореактивные смолы по своей природе хрупки и, за исключением фенольных, редко используются без волокнистых наполнителей. Чаще всего применяются древесные опилки, хлопковые очесы, целлюлозные волокна и ткани, асбест и стекловолокно. Последнее позволяет получать слоистые структуры со значительно большей прочностью, чем целлюлозные или органические волокна.

Плотность большинства пластмасс лежит в пределах 0,92-1,54 г/см3, что много ниже плотности легких металлов. Введение хлора в молекулу повышает плотность - например, у поливинилхлорида она равна 1,7 г/см3. У полипропилена наименьшая плотность среди пластиков; полистирол лишь чуть тяжелее воды. У пластиков с минеральными наполнителями плотность возрастает пропорционально содержанию наполнителя. Пенопласты и сотовые структуры, сделанные из бумаги и тканей, пропитанных пластиками, открывают возможность получения легких материалов высокой прочности.

Прозрачность. Аморфные полимеры - светлые и прозрачные. Степень прозрачности оценивается по пропусканию света. У полиметилметакрилатов она наибольшая (свыше 90% светопропускания); полистирол и органические простые и сложные эфиры целлюлозы также обладают хорошей светопроницаемостью.

Электрическое сопротивление некоторых пластиков велико, и они находят разнообразные применения в электронном оборудовании. Полистирол, полиэтилен, полиметилметакрилат, полипропилен и тефлон (политетрафторэтилен) обладают прекрасными диэлектрическими и изолирующими свойствами.

Термостойкость. Некоторые пластические материалы, особенно полиимиды, кремнийорганические полимеры и тефлон, проявляют исключительную термостойкость, но с трудом поддаются прямому прессованию или литьевому формованию. Силиконовые каучуки можно формовать как резину, но процесс вулканизации продолжительный, а продукты непрочны. Тефлон можно медленно выдавливать при высоких температурах; получающиеся изделия тверды и устойчивы (без деструкции и разложения) при температурах до 260° С в течение длительного времени. Несмотря на несколько большую термостойкость, термоотверждающиеся пластики (реактопласты) не выдерживают продолжительного нагрева до 200° С; этот предел можно повысить примерно до 250° С добавлением минеральных наполнителей.

Хладостойкость существенна для гибких элементов, используемых на открытом воздухе или в холодильниках. Сополимеризация и использование пластификаторов позволяет пластмассам удовлетворительно выдерживать низкие температуры.

Хемостойкость. Некоторые пластические материалы обладают исключительной устойчивостью к кислотам, щелочам и растворителям. Термореактивные смолы в общем не поддаются воздействию обычных растворителей. Щелочи и кислоты мало влияют на фенольные пластмассы, хотя их наполнители в некоторых случаях могут набухать. Пластмассы на основе мочевины слегка набухают в водных растворах, пластмассы на основе меламина несколько более устойчивы.

Некоторые растворители влияют на большинство термопластов. Углеводородные смолы обычно растворимы в ароматических углеводородах, но вода и низшие спирты не влияют на них. Полистирол чрезвычайно устойчив к сильным минеральным кислотам и щелочам. Поливиниловый спирт устойчив практически ко всем органическим растворителям, но растворим в воде. Ацетат целлюлозы проявляет хорошую устойчивость почти ко всем растворителям, кроме кетонов, однако поглощает некоторое количество воды. Ацетат-, пропионат-, бутират- и этилцеллюлозы не подвержены воздействию влаги.

Прочность на растяжение. Предел прочности на растяжение есть максимальное растягивающее усилие, которое материал может выдержать без разрыва. Большинство пластмасс имеют предел прочности на растяжение в диапазоне 48-83 МПа; в некоторых случаях волокнистые наполнители увеличивают прочность на растяжение. Линейные кристаллические материалы, подобные найлону, после ориентации вытягиванием значительно повышают свою прочность на растяжение (до 276-414 МПа).

Прочность на сжатие. Предел прочности на сжатие есть максимальное давление, которое материал может выдержать без изменения (уменьшения) объема. Армированные пластики обладают более высокими пределами прочности на сжатие (более 200 МПа), чем ненаполненные винильные полимеры (около 70 МПа).

Ударопрочность. Наполнители, особенно волокнистые, повышают ударопрочность и обычно используются в термореактивных смолах. Некоторые линейные термопласты, например, найлон, полиформальдегид и поликарбонаты, обладают исключительной ударопрочностью.

2. Характеристика ассортимента товаров на основе пластмасс.

1. Потребительские свойства товаров на основе пластмасс.

Пластмассы обладают комплексом общих свойств, отличающих их от многих традиционных материалов. В группу потребительских свойств входят такие показатели, как удобство производства (переработки) и использования полимеров и пластмасс, их безопасность и безвредность, что позволяет характеризовать их с точки зрения влияния на человека и окружающую среду.

Удобство производства выражается в том, что полимерные материалы легко подвергаются различным видам переработки в отличие от других поделочных материалов. Процесс формирования относительно прост и легко автоматизируется, не требуется дополнительных операций отделки, так как продукцию украшают преимущественно в ходе формирования. Формование изделий из пластмасс может быть выполнено традиционными методами переработки других материалов и является практически безотходным. Выбор метода переработки зависит от термических свойств пластмасс, формы, конструктивных особенностей, назначения изделия, а также экономичности производства.

Декоративные возможности пластмасс весьма широки. Их можно окрасить практически в любой цвет, придать разнообразие фактуре поверхности. Они могут быть матовые и блестящие, прозрачные и непрозрачные, их можно имитировать под другие материалы либо в процессе изготовления можно комбинировать с различными материалами (керамикой, стеклом и др.).

Безопасность полимерных материалов определяется главным образом их огнестойкостью - способностью противостоять действию огня. По огнестойкости (горючести) полимерные материалы, как и другие, подразделяют на горючие, трудно сгораемые, негорючие (огнестойкие). Большинство полимерных композиций на основе термопластичных смол являются горючими (целлулоид, полистирол). Особенно легко воспламеняются и хорошо горят нитроцеллюлозные пластики, полиметилкрилаты, полистиролы. Винилхлоридные полимеры, полиакрилонитрилы, поликарбонаты и реактопласты с органическими наполнителями трудно воспламеняются, горят только в пламени. Негорючие (огнестойкие) пластмассы не горят вовсе или затухают, когда оказываются вне пламени; к ним относятся элементоорганические и неорганические полимеры, органические полимеры с ароматическими циклами в макромолекулах и фторопласты.

Опасность горючих пластмасс состоит не только в возможности их воспламенения и горения. При горении полимеров образуется раскаленный сплав, нередко обильное выделение дыма и сильно токсичные продукты. Для придания огнестойкости и снижения горючести в пластмассы вводят антипирены – специфические добавки и негорючие наполнители (каолин, цемент, асбест и т.д.).

Безвредность – характеризует потенциальную опасность материалов для здоровья человека и вредное влияние на окружающую среду. При оценке безвредности полимеров исходят из общего требования к материалам – не выделять в контактную среду токсических, канцерогенных, аллергических и других веществ в количествах, которые могут оказывать прямо или косвенно вредное влияние на организм человека, животный и растительный мир. Чистые высокомолекулярные полимеры физиологически безвредны, т.е. они не переходят в пищевые продукты и жидкие среды. Вредное воздействие могут оказывать не вступившие в реакцию мономеры, некоторые пластификаторы, остатки катализатора, продукты старения и распада. Пластмассы биологически трудно усвояемые, не утилизируются, что приводит к накоплению старых изделий из них и загрязнению окружающей среды.

Безвредность пластиков и их допустимость для производства изделий различного функционального назначения устанавливают после тщательных санитарно-химических исследований, включающих:

• определение вида (идентификация) и концентрации веществ, мигрирующих из пластмасс в контактную среду;
• установление степени токсического воздействия пластмассы или мигрирующих из нее веществ на организм;
• определение характера влияния пластмассы на биологическую и пищевую ценность продукта (состав, вкус, запах, состояние поверхности и т.д.).